電源適配器電磁干擾抑制技術及設計方法

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電源適配器電磁干擾抑制技術及設計方法

電磁兼容(ElectroMagneticCompatibility,簡稱EMC)是指電子設備或系統在其電磁環境能正常工作,且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。它包括電磁干擾(EMI)和電磁敏感(EMS)兩方面的內容。EMI是指電器產品向外發出干擾。EMS是指電器產品抵抗電磁干擾的能力。
一臺具備良好電磁兼容性的設備應既不受周圍電磁噪聲的影響,也不對周圍環境造成電磁干擾。電磁干擾的三個要素是干擾源、耦合通道和敏感體。抑制電源適配器產生的干擾對保證電子系統的正常穩定運行具有十分重要的意義,電磁干擾的抑制技術主要包括削弱干擾的能量,隔離和減弱噪聲耦合途徑及提高設備對電磁騷擾的抵抗能力等。本文分析了電源適配器電磁干擾產生原因,介紹了電源適配器電磁干擾抑制技術及設計方法。

1電源適配器電磁干擾的產生
電源適配器通常是將工頻交流電整流為直流電,然后經過開關管的控制使其變為高頻,再經過整流濾波電路輸出,得到穩定的直流電壓。工頻整流濾波使用大容量電容充、放電,開關管高頻通斷,輸出整流二極管的反向恢復等工作過程中產生了極高的di/dt和du/dt,形成了強烈的浪涌電流和尖峰電壓,它是電源適配器電磁干擾產生的最基本原因。另外,開關管的驅動波形,MOSFET漏源波形等都是接近矩形波形狀的周期波。因此,其頻率是MHz級別的,這些高頻信號對電源適配器的基本信號,特別是控制電路的信號造成干擾。

1.1輸入整流電路的諧波干擾

電源適配器輸入端通常采用橋式整流、電容濾波電路。整流橋只有在脈動電壓超過輸入濾波電容上的電壓時才能導通,電流才從市電電源輸入,并對濾波電容充電。一旦濾波電容上的電壓高于市電電源的瞬時電壓,整流管便截止。所以,輸入電路的電流是脈沖性質的,并且有著豐富的高效諧波電流。這是因為整流電路的非線性特性,整流橋交流側的電流嚴重失真。

而直流側的諧波次數是n倍。所以,整流電路直流側高頻諧波電流不僅使電路產生功率,增加電路的無功功率,而且高頻諧波會沿著傳輸線路產生傳導干擾和輻射干擾。

1.2開關電路產生的干擾
開關電路在電源適配器中起著關鍵的作用,同時也是主要的干擾源之一。開關管負載為高頻變壓器初級線圈,是感性負載。其在導通瞬間,初級線圈產生很大的涌流,并在初級線圈的兩端出現較高的浪涌尖峰電壓;在斷開瞬間,由于初級線圈的漏磁通,致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸到二次線圈,儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減震蕩,疊加在關斷電壓上,形成關斷電壓尖峰。如果尖峰有足夠高的幅度,那么很有可能把開關管擊穿。

1.3高頻變壓器產生的共模傳導騷擾
高頻變壓器是電源適配器中實現能量儲存、隔離、輸出、電壓變換的重要部件,它的漏感和分布電容對電路的電磁兼容性能產生較大的影響。由于初級線圈有漏磁通,致使一部分能量沒有傳輸到次級線圈,而是通過集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩,疊加在關斷電壓上,形成關斷電壓尖峰,產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變,這個噪聲會傳導到輸入、輸出端,形成傳導騷擾,重者有可能擊穿開關管。另外,高頻變壓器初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射,形成輻射騷擾。

在電源適配器的調頻變壓器初次級之間存在著分布電容。用一個裝置電容(裝置對地的分布電容)來與整個電源適配器等效,就形成了干擾通道。共模干擾通過變壓器的耦合電容,經過裝置電容再返回大地,就得到一個由變壓器耦合電容與裝置電容構成的分壓器。脈沖變壓器初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射,形成輻射騷擾。

1.4分布及寄生參數引起的電源適配器噪聲
桌面式電源適配器的分布參數是多數干擾的內在因素,電源適配器和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級之間的分布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。共模干擾就是通過變壓器初、次級之間的分布電容以及電源適配器與散熱器之間的分布電容傳輸的。其中變壓器繞組的分布電容與高頻變壓器繞組結構、制造工藝有關。電源適配器與散熱器之間的分布電容與開關管的結構以及開關管的安裝方式有關。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開關管與散熱器之間的分布電容。
在高頻工作下的元件都有高頻寄生特性,對其工作狀態產生影響。高頻工作時導線變成了發射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振電路,當頻率過高時各元件的頻率特性產生了相當大的變化。為了保證電源適配器在高頻工作時的穩定性,設計電源適配器時要充分考慮元件在高頻工作時的特性,選擇使用高頻特性比較好的元件。另外,在高頻時,導線寄生電感的感抗顯著增加,由于電感的不可控性,最終使其變成一根發射線,也就成為了電源適配器中的輻射干擾源。

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